一種無輔助開關(guān)的DC－DC變換器軟開關(guān)建模與仿真

楊儒龍，劉述喜，李科娜

（重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，重慶400054）

隨著科技和生產(chǎn)的發(fā)展，雙向DC－DC變換器被更多的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。常用的半橋雙向DC－DC變換器一般有兩個(gè)開關(guān)管，在電流連續(xù)的模式下，這兩個(gè)開關(guān)管將處于硬開關(guān)狀態(tài)，具有較大的開關(guān)應(yīng)力，使得電路在高頻運(yùn)作情況下產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗。傳統(tǒng)的零電壓轉(zhuǎn)換（ZVT）方法和零電流轉(zhuǎn)換方法是應(yīng)用于半橋雙向 DC－DC 轉(zhuǎn)換器的有效的軟開關(guān)技術(shù)［1－4］。但是，由于換相問題的存在，對(duì)于雙向ZVT拓?fù)渲辽傩枰獌蓚€(gè)輔助開關(guān)。同時(shí)，輔助開關(guān)的控制時(shí)序與主開關(guān)不同，這會(huì)增加雙向轉(zhuǎn)換器的控制復(fù)雜度［5－6］。

為了減小控制復(fù)雜度，有些學(xué)者增加耦合電感和二極管來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，但是增加的輔助二極管會(huì)帶來額外的損耗，使得電路在重載運(yùn)行下效率很低。也有學(xué)者通過增加LC串聯(lián)諧振電路來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)［7－8］，這種拓?fù)洳恍枰黾宇~外的開關(guān)管，損耗也相應(yīng)的較少。

本文所研究的雙向DC－DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只使用一個(gè)諧振電感和兩個(gè)電容就可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的作用。本文首先對(duì)電路拓?fù)溥M(jìn)行了分析，然后分析了Buck模式下的工作原理，最后利用pspice搭建仿真電路模型，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖1 變換器電路拓?fù)?/p>

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

半橋雙向DC－DC變換器的電路拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1中有三個(gè)輔助元件：一個(gè)諧振電感Lr，兩個(gè)輔助電容C1和C2。其他的主要元器件包括：

S1、S2是主開關(guān)，Cr1和 Cr2是其寄生電容，Dr1和Dr2分別是S1和S2的體二極管；L是主電感，Ch是高壓側(cè)濾波電容，Cl是低壓側(cè)濾波電容。

由圖1可知，ir為正時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)S2的零電壓導(dǎo)通，ir為負(fù)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)S1的零電壓導(dǎo)通。C1和C2儲(chǔ)存能量，并向Lr釋放，讓ir電流換向，這樣就能實(shí)現(xiàn)S1和S2的零電壓導(dǎo)通。當(dāng)S1導(dǎo)通時(shí)，C1放電，C2充電，與此同時(shí)ir由正變負(fù)，負(fù)的ir值會(huì)使S1實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通。當(dāng)S2導(dǎo)通時(shí)，C1充電，C2放電，與此同時(shí)ir由負(fù)變正，正的ir值會(huì)使S2實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通。儲(chǔ)存在C1和C2中的能量向L釋放，而在L中的電流紋波會(huì)很小。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，寄生電容Cr1和Cr2也可以減小S1和S2兩端的電壓上升率。

2 Buck工作模式

一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，在Buck工作模式下，變換器存在如圖2所示的8種工作模態(tài)，在各階段電路中的主要工作波形如圖3所示。

圖2 變換器工作模態(tài)及其等效電路

圖3 Buck工作下主要波形圖

模態(tài)1［t0～t1］，圖2（a）：t0時(shí)刻S1關(guān)斷，Cr1開始充電，Cr2開始放電，充放電過程為S1提供了ZVS條件。在這個(gè)模態(tài)下i1、ir從正值開始衰減，i2從負(fù)值開始上升，v1下降，v2上升。

模態(tài)2［t1～t2］，圖2（b）：t1時(shí)刻，Cr2的電壓下降到0，Dr2導(dǎo)通，S2兩端的電位被鉗位到0，為S2的導(dǎo)通提供了零電壓條件。在這個(gè)模態(tài)下i1、ir、i2、v1和v2與模態(tài)1相同。

模態(tài)3［t2～t3］，圖2（c）：S2在t2時(shí)刻零電壓導(dǎo)通，i1、ir和i2模態(tài)1相同。當(dāng)ir等于iL時(shí)，v1達(dá)到最小值，然后v1開始上升，v2開始下降。

模態(tài)4［t3～t4］，圖2（d）：t3時(shí)刻，ir下降到0，i3時(shí)刻之后，ir變成負(fù)值。在這個(gè)模態(tài)下，v1和v2與模態(tài)3相同。從模態(tài)2到模態(tài)4，根據(jù)KVL和KCL可得：

式中，vL是電感L兩端電壓，vr是電感Lr兩端電壓。由式（1）可得：

模態(tài)5［t4～t5］，圖2（e）：t4時(shí)刻S2關(guān)斷，Cr1開始放電，Cr2開始充電，充放電過程為S2提供了ZVS條件。在這個(gè)模態(tài)下i1、ir從負(fù)值開始上升，i2從正值開始下降，v1上升，v2下降。

模態(tài)6［t5～t6］，圖2（f）：t5時(shí)刻，Cr1的電壓下降到0，Dr1導(dǎo)通，S1兩端的電位被鉗位到0，為S1的導(dǎo)通提供了零電壓條件。在這個(gè)模態(tài)下i1、ir和i2、v1和v2與模態(tài)5相同。

模態(tài)7［t6～t7］，圖2（g）：t6時(shí)刻，S1零電壓導(dǎo)通，i1、ir和i2、v1和v2與模態(tài)5相同。

模態(tài)8［t7～t8］，圖2（h）：t7時(shí)刻，ir上升到0，t3時(shí)刻之后，ir變成正值。當(dāng)ir等于iL時(shí)，v1達(dá)到最大值，然后v1開始下降，v2開始上升，i1、ir和i2與模態(tài)5相同。從模態(tài)6到模態(tài)8，由KVL和KCL可得：

將式（2）代入式（4）有：

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證相關(guān)理論的正確性，在pspice中搭建仿真電路模型如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)仿真模型

其中，仿真電路具體參數(shù)如表1所示。

表1 電路元件參數(shù)表

其中，S1，S2，C1、C2和iL的相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)波形如圖5、圖6、圖7和圖8所示。

從圖5（a）和（b）可以看出S1實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)狀態(tài)。從圖6（a）和（b）可以看出S2實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)狀態(tài)。由圖5（b）可得，當(dāng)Us1下降為0時(shí)，is1和UGS1開始上升，這便得到了S1的ZVS條件。從圖6（b）可以看出當(dāng)Us2下降為0時(shí)，is2和UGS1開始上升，這便得到了S2的ZVS條件。圖7是輔助電容C1、C2的電壓和電流波形，其波形和理論相符合。從圖8可以看出，此時(shí)iL的波形基本趨于穩(wěn)定，電流紋波很小。由仿真結(jié)果可知，本文的軟開關(guān)拓?fù)淇梢杂行У臏p少iL中的紋波。

圖5 Buck模式下S1的ZVS波形

圖6 Buck模式下S2的ZVS波形

圖7 Buck模式下C1、C2兩端波形

圖8 Buck模式下iL波形

4 總 結(jié)

本文介紹了一種非隔離的DC－DC軟開關(guān)拓?fù)?，在不引入輔助開關(guān)的基礎(chǔ)上，通過幾個(gè)儲(chǔ)能元件實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通。對(duì)該拓?fù)銪uck模式下的工作原理進(jìn)行了分析。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了Buck模式下的ZVS，仿真結(jié)果驗(yàn)證了相關(guān)理論的正確性。